مقالات, مقالات استنلس استیل
راهنمای جامع شکل دهی و فرآیندهای تولید استیل
مرداد
شکلدهی فلزات یکی از بنیادیترین فرایندها در تولید قطعات محسوب میشود که با تغییر شکل مکانیکی فلز بدون برادهبرداری، قطعات مورد نیاز را تولید میکند. در صنعت، این فرآیندها نقشی حیاتی دارند، زیرا شکلدهی دقیق و کنترلشده استنلس استیل نیازمند درک عمیق از خواص مکانیکی و متالورژیکی آن است. در این مقاله استیل رخ، به بررسی کامل انواع با روشهای مختلف شکلدهی استنلس استیل و فرآیندهای تولید آن آشنا شوید؛ از تکنیکهای فرمدهی تا نکات مهم در ساخت قطعات استیل، کاربردها، مزایا و معایب آنها میپردازیم.
مفهوم شکلدهی فلزات
شکلدهی فلزات فرآیندی است که در آن ماده فلزی تحت اثر نیرو، تغییر فرم داده و به شکل جدیدی تبدیل میشود، بدون اینکه بخشی از آن جدا شود. این عملیات میتواند در دمای محیط (کارسرد) یا در دماهای بالا (کارگرم) انجام شود. قطعات تولیدی به روشهایی مانند ماشینکاری، ریختهگری و جوشکاری نمیتوانند خواص قطعات تولیدی به روشهای شکلدهی را داشته باشند. به علاوه برخی از مقاطع استیل فقط و فقط از طریق شکلدهی قابل تبدیل به یک محصول جدید هستند.
یکی از مفاهیم مهم در شکلدهی استنلس استیل رفتار فنری و پدیدهای با نام برگشت فنری (Springback) است. در تولید تمام قطعات به روش شکلدهی باید این پدیده و میزان آن در نظر گرفته شود. هنگامی که مقداری کرنش به قطعه اعمال شود، پس از برداشتن نیرو، قطعه با توجه به خاصیت الاستیک و مدول یانگ، اندکی به حالت اولیه خود بازمیگردد. این پدیده با نام برگشت فنری شناخته میشود. برای مثال برای خم کردن یک ورق استیل به مقدار 90 درجه، باید آن را چند درجه بیشتر خم کرد که در اثر برگشت فنری به 90 درجه باز گردد. محاسبه مقدار بازگشت فنری با توجه به هر آلیاژ، هندسه قطعه و میزان تغییرشکل متفاوت است.
مهمترین روشهای شکلدهی فلزات
هر کدام از روشهای شکلدهی استنلس استیل برای تولید قطعات و هندسه خاص، مورد استفاده قرار میگیرد. به همین جهت طبقه بندی روشهای تولید بر اساس اهمیت عملا کاری بیهوده است. قبل از توضیح فرآیندهای شکلدهی استنلس استیل باید به نکتهای مهم توجه داشت. هیچکدام از این فرآیندها، به عنوان مرحله پایانی تولید انجام نمیشوند. قطعات بعد از فورج، خمکاری، اکستروژن و … لازم است تا تحت عملیات تکمیلی برای نهاییسازی قطعات قرار بگیرند. فرآیندهایی تکمیلی مانند پرداختهای سطحی، تراشکاری، براده برداری و … روی قطعات تولید شده به روشهای زیر انجام میشوند. در ادامه برخی از روشهای شکلدهی استنلس استیل را بررسی میکنیم:
خمکاری (Bending)
در این فرآیند، ورق یا پروفیل فلزی حول یک محور خم میشود. در مورد استنلس استیل، انتخاب شعاع خم و ابزار مناسب اهمیت زیادی دارد تا از ایجاد ترک یا خستگی در استنلس استیل جلوگیری شود. فرآیند خمکاری ورق برای تولید برخی مقاطع مانند نبشیها نیز مورد استفاده قرار میگیرد.
- کاربرد: تولید قطعات ساختمانی، کابینتهای صنعتی و تجهیزات پزشکی
- مزایا: دقت بالا، مناسب برای تیراژ پایین، تولید قطعات با هندسه ساده و ارزان
- معایب: ایجاد تنش باقیمانده در محل خم، محدودیت تولید صخامتهای بالا
نورد (Rolling)
نورد، فرایندی است که طی آن فلز بین دو غلتک عبور داده میشود تا ضخامت آن کاهش یابد یا به شکلی خاص درآید. برای استنلس استیل، نورد سرد (Cold Rolling) جهت رسیدن به کیفیت سطح بالا و تلورانس دقیق بسیار متداول است. به غیر از نورد برای تولید ورق استیل، نورد مقاطع برای تولید مقاطعی مانند ناودانی نیز مورد استفاده قرار میگیرد. هرچند تولید مقاطع خاص از جنس استنلس استیل در مواردی بسیار محدود انجام میشود، اما این روش جزو پرکاربردترین روشهای شکلدهی فلزات است. رولفرمینگ برای تولید لوله از ورق نیز در همین دسته طبقهبندی میشود.
- کاربرد: تولید ورق و کویلهای استنلس استیل، تولید مقاطع توپر، تولید لوله درزدار
- مزایا: تولید انبوه، خواص مکانیکی مناسب
- معایب: نیاز به تجهیزات سنگین و پرهزینه، فقط مناسب برای تولید انبوه
فورج (Forging)
فورج فولاد، یا آهنگری، فرآیند شکلدهی تحت فشار شدید است که در آن قطعه فلزی بین قالبها فشرده میشود. فشرده شدن در این روش اغلب با ضربههایی سنگین در دمای بالا انجام میشود. اعمل نیروی زیاد میتواند سبب اشاعه ترکهای داخلی در قطعه شود. این فرآیند اغلب در دمای بالا انجام میشود چرا که در دمای بالا تنش لازم برای تغییرشکل کاهش مییابد. اتصالات و قطعات تولید شده به روش فورج دارای استحکام بالایی هستند. به دلیل اعمال نیروی زیاد، بهتر است قطعات پس از انجام فرآیند فورج تنش زدایی و یا آنیل شوند.
- کاربرد: قطعات مکانیکی، شافتها و اتصالات صنعتی
- مزایا: بهبود خواص مکانیکی، سرعت تولید بالا
- معایب: محدودیت در تولید اشکال پیچیده، ایجاد تنش پسماند در قطعات
اکستروژن (Extrusion): در اکستروژن، فلز تحت فشار از درون یک قالب عبور داده میشود تا مقاطع طویل با شکل یکسان تولید شوند. آلیاژهای استنلس استیل به دلیل سختی بالا، نیازمند تجهیزات اکستروژن بسیار قوی هستند. فرآیند اکستروژن خود انواع متفاوتی دارد که کاربردهای آنها در صنعت متفاوت است. یکی از کاربردهای فرآیند اکستروژن تولید لولههای بدون درز (مانیسمان) است.
- کاربرد: تولید پروفیلهای صنعتی، فریمها، لولههای بدون درز
- مزایا: سطح صاف، کنترل هندسی خوب، سرعت تولید بالا
- معایب: نیاز به دستگاهها و ماشینآلات سنگین، هزینه زیاد برای تولید قالب
کشش عمیق (Deep Drawing): این روش شامل فرمدهی ورق فلزی داخل قالب کشش است تا قطعاتی مانند مخازن، استوانهها، سینکها و انواع قطعه بدنه فلزی (شیتمتال) تولید شود. برای استنلس استیل، استفاده از روانکنندهها و کنترل دقیق جریان ورق ضروری است. در صورتی که میزان تنش اعمالی بیش از حد تحمل ورق باشد، عیبهایی مانند پارگی، کاهش شدید ضخامت موضعی، چروک و گوشوارهای شدن و … در ورق استیل رخ میدهد. در فرآیند کشش عمیق از یک قالب سنبه و ماتریس استفاده میشود که سنبه با اعمال نیرو، ورق را به داخل ماتریس هدایت کرده تا ورق استیل شکل قالب را به خود بگیرد. در این شرایط ورقگیر جریان ورق را کنترل میکند تا کشش به نحو مناسب انجام شود.
- کاربرد: بدنه دستگاهها و ماشینآلات، قابلمه، سینکها و مخازن تحت فشار
- مزایا: تولید قطعات بدون درز و یکپارچه
- معایب: هزینه بالای قالب و مناسب برای تولید انبوه
هیدروفورمینگ (Hydroforming): در این تکنیک، از فشار سیال برای شکلدهی استفاده میشود. استنلس استیلها بهخوبی به این روش پاسخ میدهند و قطعات سبک و دقیق قابل تولید هستند. برای تولید ماگها و استوانههای استیل میتوان به خوبی از این روش استفاده کرد.
- کاربرد: قطعات خودرو، تولید ماگ استیل
- مزایا: دقت بالا، مناسب برای فرمهای خاص
- معایب: هزینه اولیه زیاد تجهیزات تولیدی
نکات فنی در شکلدهی استنلس استیل
برای شکلدهی استنلس استیل باید به پدیدههای متالورژیکی مواد توجهی ویژه داشت. برخی از این ویژگیها به صورت زیر هستند:
- کار سختی (Work Hardening): استنلس استیل در اثر تغییر شکل سرد به شدت سخت میشود. این پدیده با نام کارسختی شناخته میشود که در اثر اعمال نیرو و قفل شدن نابجاییها، سختی و استحکام قطعه استیل افزایش مییابد. در بسیاری از کاربردها و یا تغییرشکلهای چند مرحلهای (نوردهای چند مرحلهای برای کاهش ضخامت ورق) نیاز است تا استیل آنیل شود تا قابلیت شکلدهی خود را مجدد به دست آورد.
- بازگشت فنری (Springback): همانطور که در ابتدا به این پدیده اشاره کردیم، بازگشت فنری در شکلدهی و به خصوص خمکاری و کشش استیل اهمیت بسیار زیادی دارد
- استفاده از روانکار: میتوان گفت در تمام فرآیندهای شکلدهی، فلز با ابزرا و ماشینآلات در تماس است. وجود اصطکاک بین فلز و دستگاه می تواند خطرات متعددی داشته باشد. استهلاک بالای ابزار، ایجاد ترک، افزایش موضعی دما و … از جمله مواردی هستند که میتوانند در اثر این تماس تشدید شوند. به همین جهت استفاده از روانکارهای مناسب برای جلوگیری از این موارد حائز اهمیت است.
کاربردهای صنعتی شکلهای فلزات
فرایندهای شکلدهی فلز در صنایع مختلف با استنلس استیل کاربرد دارند:
- صنایع غذایی و دارویی: در صنایع صنایع غذایی و دارویی از لولههای بدون درز که با سمبه زنی، مخازن و ظروف که با کشش عمیق و شیرها و اتصالات صنعتی که اغلب با روش فورج تولید میشوند استفاده میشود.
- نفت و گاز: اتصالات، فلنجها و تجهیزات مقاوم به حرارت و فشار که در این صنعت مورد استفاده قرار میگیرند، اغلب با روش فورج تولید میشوند.
- ساختمان و معماری: نردهها، سازههای نمای فلزی و کابینتهای صنعتی و … از روشهای خمکاری تولید میشوند. لولهها و ورقهای مورد استفاده برای ساخت این قطعات نیز خود از روش نورد و خمکاری تولید میشوند.
- خودروسازی: قطعات بدنه، پنلهای فلزی، سیستمهای اگزوز و قطعات موتور از روشهایی نظیر کشش، فورج و نورد تولید میشوند. با اینکه استنلس استیل در تولید خودرو سهم زیادی ندارد، اما نمیتوان کاربرد روشهای مختلف شکلدهی فلزات برای تولید خودرو را نادیده گرفت.
سخن آخر
درک صحیح از فرایندهای شکلدهی استنلس استیل و فلزات و تطبیق آنها با خواص مواد، نقش کلیدی در تضمین کیفیت و کارایی محصول نهایی دارد. انتخاب صحیح تکنیک شکلدهی میتواند در بهینهسازی زمان تولید، کاهش هزینه و ارتقاء دوام قطعات مؤثر باشد.